Propagação de calor

A transferência de energia por diferença de temperatura pode ocorrer por condução, convecção e radiação. Em uma situação real, os três mecanismos podem coexistir. Identificar o mecanismo dominante em cada trecho do percurso ajuda a entender por que uma parede isola, por que um fluido circula e por que energia solar atravessa o espaço até chegar à Terra.

Condução: energia sem transporte macroscópico de matéria

Na condução, interações microscópicas transportam energia através do material sem que seja necessário deslocar uma porção inteira de substância de um lugar para outro. Em metais, elétrons também participam desse transporte. Condução não é exclusiva dos sólidos: ocorre em líquidos e gases, embora outros mecanismos possam dominar.

Uma extremidade quente de uma barra pode transferir energia para regiões mais frias. Isso não significa que átomos da extremidade quente viajem ao longo de toda a barra. A condutividade térmica k caracteriza a resposta do material no modelo adotado e pode depender da temperatura e da direção.

A taxa através de uma parede

Em condução unidimensional estacionária através de uma placa homogênea, com k constante e sem geração interna de energia, o módulo da taxa é $\Phi=kA\Delta T/e$. A representa a área perpendicular ao fluxo, e a espessura do percurso e ΔT a diferença entre temperaturas das faces. A unidade de Φ é watt, joule por segundo.

Mantendo as demais grandezas, dobrar A dobra a taxa; dobrar e a reduz pela metade. Isso compara regimes com a mesma diferença de temperaturas nas faces. Uma parede mais espessa não aumenta automaticamente a transferência por conter mais material.

Um dissipador calculado em unidades do SI

Considere uma peça com k=250 W/(m·K), seção de 5 mm por 5 mm, espessura 1,5 mm e diferença de temperaturas de 15 °C. A área é $25\times10^{-6}$ m² e a espessura $1{,}5\times10^{-3}$ m. Assim, $\Phi=250\cdot25\times10^{-6}\cdot15/(1{,}5\times10^{-3})=62{,}5$ W.

Se essa taxa permanece constante por 60 s, a energia transferida é 3750 J. A diferença de 15 °C equivale a 15 K. A seção dada em milímetros deve ser convertida como área: 25 mm² não são 0,025 m².

No modelo estacionário, o perfil de temperatura da placa é linear. Fora desse regime, ela pode estar armazenando energia, e a taxa que entra por uma face não precisa igualar imediatamente a que sai pela outra. A fórmula usada descreve condições específicas, não toda etapa de aquecimento de uma parede.

Convecção: o fluido participa do transporte

Na convecção, o movimento macroscópico de um fluido transporta energia. Na convecção natural usual sob gravidade, diferenças de densidade podem gerar circulação: regiões aquecidas e menos densas sobem em relação às mais frias. A descrição depende das propriedades do fluido; aquecer não reduz a densidade em todos os intervalos de toda substância.

Na convecção forçada, ventiladores ou bombas movimentam o fluido. O ar conduzido sobre um dissipador pode retirar energia da superfície; a circulação não precisa surgir apenas por flutuação. Em um termossifão, a disposição de coletor, reservatório e tubulações deve favorecer a circulação natural.

Radiação atravessa o vácuo

A radiação térmica transporta energia por ondas eletromagnéticas e não exige meio material. Entre os três mecanismos, é o que permite a transferência através do espaço praticamente vazio entre o Sol e a Terra.

Corpos emitem e absorvem radiação; o resultado líquido depende de temperaturas, propriedades das superfícies e ambiente radiativo. Uma superfície não deixa de emitir por estar mais fria que sua vizinhança. Em equilíbrio, pode continuar trocando radiação nos dois sentidos, com balanço líquido nulo.

Superfícies escuras frequentemente absorvem mais luz visível, mas cor visível sozinha não determina a emissão em todo o espectro térmico. Superfícies refletoras adequadas reduzem trocas radiativas nas faixas relevantes. Evite transformar uma observação sobre pintura em uma regra universal independente de comprimento de onda.

A garrafa térmica combina estratégias

O espaço evacuado entre paredes reduz condução pelo gás e impede convecção nessa região. Superfícies refletoras reduzem a troca radiativa. Já tampa, apoios e contatos sólidos ainda podem conduzir energia: o isolamento não elimina todos os caminhos.

Uma maçaneta metálica e a madeira à mesma temperatura podem produzir sensações distintas porque retiram energia da mão em taxas diferentes. Um agasalho passivo também não precisa produzir energia para reduzir a perda do corpo: ele dificulta certas transferências, inclusive retendo camadas de ar pouco móveis.